UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ROGÉRIO OLIVEIRA DE AGUIAR
CLASSIFICADOR AUTOMATICO E NÃO-SUPERVISIONADO DE BATIMENTOS CARDIACOS BASEADO NO ALGORITMO DYNAMIC
TIME WARPING
VITÓRIA 2008
i
ROGÉRIO OLIVEIRA DE AGUIAR
CLASSIFICADOR AUTOMATICO E NÃO-SUPERVISIONADO DE BATIMENTOS CARDIACOS BASEADO NO ALGORITMO DYNAMIC
TIME WARPING
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Elétrica, na área de concentração em Processamento de Sinais. Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Varejão Andreão.
VITÓRIA 2008
ii
Dados Internacionais de Catalogação-na-publicação (CIP)
(Biblioteca Central da Universidade Federal do Espírito Santo, ES, Brasil)
Aguiar, Rogério Oliveira de, 1981-
A282c Classificador automático e não supervisionado de batimentos
cardíacos baseado no algoritmo dynamic time warping / Rogério Oliveira de Aguiar. – 2008.
125 f. : il.
Orientador: Rodrigo Varejão Andreão.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Espírito Santo, Centro Tecnológico.
1. Eletrocardiografia. 2. Processamento de sinais. 3. Batimento cardíaco. I. Andreão, Rodrigo Varejão. II. Universidade Federal do Espírito Santo. Centro Tecnológico. III. Título.
iii
ROGÉRIO OLIVEIRA DE AGUIAR
CLASSIFICADOR AUTOMATICO E NÃO-SUPERVISIONADO DE BATIMENTOS CARDIACOS BASEADO NO DYNAMIC TIME
WARPING
Dissertação submetida ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisição parcial para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Elétrica – Processamento de Sinais.
iv DEDICATÓRIA
Aos meus pais, meus irmãos, minha namorada, meus familiares e amigos, pela grande ajuda que me deram ao longo desses anos e por sempre terem me incentivado a continuar estudando.
v AGRADECIMENTOS
Agradeço muito ao meu orientador, professor Dr. Rodrigo Varejão sem o qual essa dissertação não seria possível. Seus incentivos e orientações foram muito importantes no desenvolvimento desse trabalho, sua paciência foi fundamental para que a dissertação chegasse a bom termo.
Gostaria de agradecer também a FAPES, pelo apoio financeiro ao longo deste trabalho.
vi LISTA DE FIGURAS
Figura 2-1 – Vista Posterior do Coração. ...9
Figura 2-2 – O Tecido Excito - Condutor do Coração. ...11
Figura 2-3 – Ciclo Cardíaco. ...12
Figura 2-4 – Potencial de Ação do coração. ...16
Figura 2-5 – Monitor Holter. ...19
Figura 2-6 – Sinal ECG com traços característicos. ...20
Figura 2-7 – As 12 derivações de um ECG padrão. ...22
Figura 2-8 – Plano frontal das derivações periféricas. ...23
Figura 2-9 – Sinal ECG nas 12 derivações principais. ...25
Figura 2-10 – Mudança de eixo da TV com a salva de seis ESV...26
Figura 2-11 – Direção anormal da onda de despolarização na TV. ...27
Figura 2-12 – Fibrilação Atrial. ...28
Figura 2-13 – Flutter Atrial...28
Figura 2-14 – Focos múltiplos da Fibrilação Atrial. ...28
Figura 2-15 – Foco único do Flutter Atrial...28
Figura 2-16 – a) Taquicardia Sinusal; b) Braquicardia Sinusal...29
Figura 2-17 – Foco isolado no átrio...30
Figura 2-18 – Taquicardia Atrial. ...30
Figura 2-19 – Três exemplos de Fibrilação Ventricular...31
Figura 2-20 – a) Exemplo de monitoramento remoto; b) Exemplo de geração de alarmes. ...35
Figura 3-1 – Gráficos dos vetores X e Y. ...37
Figura 3-2 – Comparação direta dos vetores X e Y. ...38
Figura 3-3 – Alinhamento linear dos vetores X e Y...38
Figura 3-4 – Alinhamento temporal dinâmico dos vetores X e Y...39
Figura 3-5 – Caminho do alinhamento temporal dinâmico...39
Figura 4-1 – Distância RR em um sinal ECG...44
Figura 4-2 – Exemplo de uma janela ECG...45
vii
Figura 4-4 – Janela variável se adapta ao batimento prematuro...47 Figura 4-5 – Ruídos em um sinal ECG...48 Figura 4-6 – Deslocamento da linha de base. ...49 Figura 4-7 – a) Sinal ECG e seu equivalente normalizado. b) Seu equivalente normalizado. ...50 Figura 4-8 – Sinal ECG e sua derivada. ...51 Figura 4-9 – Resposta em freqüência do filtro utilizado no pré-processamento...51 Figura 4-10 – Exemplo do funcionamento do método das Comparações Sucessivas.55 Figura 4-11 – Comparação entre batimentos anormais em diferentes canais. ...56 Figura 4-12 – Diagrama de Blocos do Sistema Classificador. ...58 Figura 4-13 – Elementos da Matriz Confusão...61 Figura 4-14 - a) Sinal do canal A. b) Sinal com baixa relação sinal/ruído do canal B.64 Figura 5-1 – Classificador com 2 estágios...65 Figura 5-2 – Trecho do registro 201. ...66 Figura 5-3 – Trecho do registro 209 ...67 Figura 5-4 – Funções Pertinência: a) Gaussiana; b) Triangular; c) Trapezoidal; d) Crescentes; e) Decrescente ...71 Figura 5-5 - Diagrama de Blocos de um Sistema Fuzzy ...73 Figura 5-6 – Distâncias RR normalizadas dos batimentos normais (NN) da base de testes...75 Figura 5-7 – Variabilidade das Distâncias RR dos batimentos normais (NN) do registro 203. ...75 Figura 5-8 – Distâncias RR normalizadas dos batimentos prematuros (S) da base de testes...76 Figura 5-9 – Distribuição das Distâncias RR dos batimentos NN (preto) e P (vermelho)...76 Figura 5-10 – Somatória das Distâncias RR dos batimentos NN (preto) e S (vermelho)...77 Figura 5-11 – Função de Pertinência. ...78
viii
Figura 5-12 – Somatória das Distâncias RR dos batimentos NN (preto) e S
(vermelho)...78
Figura 6-1 – Caminhos de Busca Possíveis...83
Figura 6-2 – Convergência do Método...84
Figura 6-3 – Trecho do ECG utilizado. ...85
Figura 6-4 – Grupo de Batimentos Utilizados no Teste ...86
Figura 6-5 – a) Representante do Grupo de Batimentos. b) Representante (preto), média aritmética (vermelho) e exemplo de batimento (azul). ...86
Figura 6-6 – a) Representante do Grupo de Batimentos. b) Representante (preto), média aritmética (vermelho) e exemplo de batimento (azul). ...87
Figura 6-7 – a) Vetores Normalizados. b) Representante do MKDTW (preto), média aritmética (vermelho) e exemplo de batimento (azul). c) SMR (preto), média aritmética (vermelho) e exemplo de batimento (azul)...87
Figura 6-8 – Interface do Sistema de Classificação...89
Figura 6-9 – Interface dos resultados apresentados pelo Sistema de Classificação. ...89
Figura A.7-1 - Calculo da matriz Custos e definição do caminho ótimo. ...100
Figura D.1 – Batimentos Normais em diferentes derivações...106
Figura D.2 – Batimentos Normais e de Fusão em diferentes derivações. ...106
Figura D.3 – Batimentos Normais e Ventriculares em diferentes derivações. ...107 Figura D.4 – Batimentos Normais e Supraventriculares em diferentes derivações. 107
ix LISTA DE TABELAS
Tabela 4-1 – Agrupamento de classes segundo a AAMI. ...53
Tabela 4-2 – Divisão em duas classes. ...53
Tabela 4-3 – Divisão em três classes...53
Tabela 5-1– Análise do trecho do registro 201...67
Tabela 5-2 – Análise do trecho do registro 209...68
Tabela C.7-1 – Registros da base MIT-BIH Database. ...105
x SIMBOLOGIA
C(k) Pontos do caminho ótimo
Cl Cloro
D(X,Y) Distância Euclidiana entre os vetores X e Y. K Potássio
mm Milímetros
mV Milivolts
xi glossário
AAMI Association for the Advancement of Medical Instrumentation aVF Derivação da perna direita
aVL Derivação do braço esquerdo aVR Derivação do braço direito bpm Batimentos por minuto
DCC Doença Cardíaca Coronariana DC Diagnóstico Correto
DDP Diferença de Potencial
DTW Alinhamento Temporal Dinâmico (Dynamic Time Warping) ECG Eletrocardiograma
ESV Extra-Sístole Ventricular Fc Freqüência Cardíaca FP Falsos Positivos FN Falsos Negativos FV Fibrilação Ventricular
HMM Cadeias Ocultas de Markov (Hidden Markov Models)
IIR Filtro de Resposta Impulsiva Infinita (Infinite Impulse Response) IM Isquemia do Miocárdio
LA Derivação do Braço Esquerdo LL Derivação da Perna Esquerda MKDTW Sistema de alinhamento de vetores N Batimento normal do coração NN Batimento normal não-prematuro
P Onda resultante da excitação elétrica atrial de um batimento normal PEP Prontuário Eletrônico do Paciente
PP Valores Preditivos Positivos PVC Batimento Ventricular Prematuro
QRS Onda resultante da excitação elétrica ventricular de um batimento normal RA Derivação do Braço Direito
RL Derivação da perna direita
xii S Batimento prematuro
SA Sino-Atrial Se Sensibilidade
SMR Self-Modeling Registration
T Onda resultante da repolarização ventricular (retorno ao estado de repouso)
TV Taquicardia Ventricular V1 a V6 Derivações precordiais
xiii SUMÁRIO DEDICATÓRIA... IV AGRADECIMENTOS ...V LISTA DE FIGURAS... VI LISTA DE TABELAS ... IX SIMBOLOGIA...X RESUMO ...XVII ABSTRACT... XVIII 1 INTRODUÇÃO ...1 1.1 Telecardio...1 1.2 O Coração ...1 1.2.1 Anomalias no Coração ...2 1.3 Eletrocardiograma...2 1.4 Motivação...3 1.5 Estado da Arte...3 1.6 Objetivo...5 1.7 - Estrutura da Monografia...6
2 AS ARRITMIAS CARDIACAS E O PROJETO TELECARDIO...8
2.1 Introdução ...8
2.2 Músculo Cardíaco ...8
2.2.1 O Ciclo Cardíaco ...11
2.2.2 Doenças Cardíacas Coronarianas ...13
2.2.2.1 Problemas causados pelas DCC ...13
2.3 Outros Problemas do Coração ...14
2.4 Atividade Elétrica no Coração ...15
2.4.1 Eletrocardiografia...18
2.4.2 Holter...19
2.4.3 Componentes de um Sinal de ECG Normal...20
2.4.4 Derivações de um ECG ...21
xiv
2.4.4.2 Derivação Unipolar ...24
2.4.4.3 Derivações Precordiais...24
2.4.4.4 Formato do ECG nas diferentes derivações...25
2.5 Arritmias Cardíacas ...26
2.5.1 Taquicardia Ventricular...26
2.5.2 Flutter e Fibrilação Atrial ...27
2.5.3 Arritmias Sinusais ...29
2.5.4 Taquicardia Atrial...29
2.5.5 Fibrilação Ventricular...30
2.6 Telemedicina...31
2.6.1 Projeto Telecardio ...32
2.6.2 Estrutura do Projeto Telecardio...33
2.7 Conclusões ...35
3 ALINHAMENTO TEMPORAL DINÂMICO ...36
3.1 Introdução ...36
3.2 Alinhamento Temporal de Sinais ECG ...36
3.3 Conclusões ...42
4 SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO DE BATIMENTOS CARDÍACOS ...43
4.1 Introdução ...43
4.2 Extração de Parâmetros de um Sinal ECG ...43
4.2.1 Segmentação do ECG...43
4.2.2 Distância RR...44
4.2.3 Janelas de um sinal ECG ...44
4.2.3.1 Janela Fixa...45
4.2.3.2 Janela Variável ...46
4.2.4 Ruídos no ECG...47
4.2.4.1 Deslocamento da linha de base ...49
4.2.4.2 Normalização do sinal...49
4.2.4.3 Derivada do ECG ...50
xv
4.3.1 Base de Dados ...52
4.3.2 Classes de Batimentos ...53
4.3.3 Determinação do Batimento de Referência...53
4.3.4 Comparação entre Dois Canais ...55
4.3.5 Medidor de Freqüência Cardíaca ...56
4.3.6 Classificador...57
4.3.7 Atualizador de Referência ...57
4.3.8 Diagrama de blocos ...58
4.4 Experimentos ...59
4.4.1 Análise da Precisão dos Resultados ...60
4.4.1.1 Matriz de Confusão ...60
4.4.1.2 Percentual de Acerto Global ...61
4.4.1.3 Sensibilidade e Valor Preditivo Positivo...62
4.5 Análise dos Resultados ...63
4.6 Conclusões ...64
5 BATIMENTOS PREMATUROS E A LOGICA FUZZY ...65
5.1 Introdução ...65 5.2 Batimento Prematuro ...65 5.3 Lógica Fuzzy...69 5.3.1 Conjuntos Nebulosos...69 5.3.2 Conceitos Básicos...70 5.3.3 Peso e Normalização ...71
5.3.4 Tipos de Funções de Pertinência...71
5.3.5 Conjunto Nebuloso x Probabilidade ...72
5.3.6 Sistemas Fuzzy ...72
5.3.7 Fuzzyficação e Defuzzyficação...73
5.4 Teoria Nebulosa na Classificação de Batimentos Prematuros...74
5.4.1 Estudo Estatístico ...74
5.5 Conclusões ...79
xvi
6.1 Introdução ...81
6.2 Alinhamento de Sinais ...81
6.2.1 Metodo de Alinhamento Baseado no DTW ...82
6.2.2 Self Modeling Registration ...84
6.2.3 Resultados ...85
6.2.4 Discussão...88
6.3 Interface Gráfica Proposta ...88
7 CONCLUSÕES ...90 7.1 Considerações Finais ...90 7.2 Trabalhos Futuros ...92 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...93 APÊNDICE A...100 APÊNDICE B...102 APÊNDICE C...104 APÊNDICE D...106
xvii RESUMO
O Projeto Telecardio é um projeto de pesquisa em telemonitoramento de pacientes cardíacos e identificação automática de situações de risco. Neste contexto, está sendo proposto um sistema de análise de eletrocardiograma como uma ferramenta de auxílio ao diagnóstico médico.
O sistema classifica os batimentos de um registro de ECG ambulatorial tendo como referência o batimento predominante do paciente. A classificação se dá através de uma abordagem original não supervisionada que faz uso do método Alinhamento Temporal Dinâmico na comparação entre batimentos com tamanhos e formas diferentes. Além disso, é tratado neste trabalho o problema da classificação de batimentos prematuros a partir do estudo de rótulos feitos por cardiologistas nos batimentos da base utilizada neste trabalho.
Por fim, é proposta uma interface gráfica que apresenta o resultado da análise realizada pelo sistema de classificação, destacando-se informações importantes e a morfologias dos batimentos predominantes ao longo de trechos do ECG. Os batimentos predominantes são determinados por um algoritmo original que realiza o cálculo do batimento médio a partir de um conjunto de batimentos.
O sistema foi testado na MIT-BIH Arrhythmia Database e os resultados alcançados validaram a estratégia proposta.
xviii ABSTRACT
The Telecardio Project is a research project on cardiac patient telemonitoring and automatic detection of risk situations. In this context, an electrocardiogram (ECG) analysis system has been developed as a tool to help medical diagnosis.
The system classifies the beats of an ambulatory ECG record using as a reference the patient dominant heartbeat. This classification is due to an original non supervised approach which uses the Dynamic Time Warping method to compare the difference of morphology between heartbeats. Furthermore, the premature heartbeat classification problem is analyzed in this work through the study of the beat annotations made by cardiologist in the MIT-Arrhythmia Database.
Finally, a graphic user interface has been proposed to show the results obtained from the ECG analysis system, where useful information and predominant heartbeat morphology along the ECG are exposed to the specialist. Predominant beats are determined by an original algorithm which makes the computation of an average heartbeat from a group of beats belonging to the same class.
The system was tested in the MIT-BIH Arrhythmia Database and the results have confirmed the good efficiency of the proposed solution.
1 INTRODUÇÃO
1.1 Telecardio
Muitos centros urbanos exibem atualmente dificuldades comuns ligadas à superlotação de leitos hospitalares e aos custos de internação. Esse quadro tem conduzido pesquisadores a proporem soluções tecnológicas para que o paciente seja mantido em seu domicílio e continue recebendo serviços médicos apropriados. Desta forma, este trabalho apresenta um sistema de classificação de batimentos cardíacos que faz parte de um programa de Telecardiologia Domiciliar.
O Telecardio, como é chamado este programa, se propõe a fazer o monitoramento remoto da atividade elétrica do coração dos pacientes e para isto é utilizada uma plataforma de suporte a aplicações móveis e sensíveis ao contexto, mecanismos de análise de sinais eletrocardiográficos e geração automática de alarmes, melhorando o atendimento emergencial de pacientes crônicos.
1.2 O Coração
O coração é um órgão muscular responsável por bombear o sangue para os pulmões, para lá ser oxigenado, e depois para o resto do corpo, onde irá suprir as necessidades de oxigênio e nutrientes dos órgãos e tecidos. O coração bate em média de 60 a 100 vezes por minuto em situação de repouso, podendo chegar a 200 batimentos quando muito exigido.
Ele funciona como sendo duas bombas hidráulicas, pois está constantemente a contrair e a relaxar, para levar o sangue a todo o nosso organismo. Ele é composto por duas câmaras superiores, chamadas de átrios, e duas inferiores, os ventrículos. Uma das bombas engloba o átrio e o ventrículo direitos, que têm a função de levar o sangue para os pulmões, as outras são o átrio e o ventrículo esquerdos que têm o trabalho de bombear o sangue enriquecido de oxigênio para as demais partes do corpo. Essas duas
bombas atuam de forma síncrona e o bombeamento é feito através de tubos de saída, que são as artérias e os tubos de entrada, as veias.
1.2.1 Anomalias no Coração
Existem diversos tipos de anomalias no coração, que vão desde defeitos congênitos, que ocorrem quando o coração ou seus vasos sangüíneos não se desenvolvem normalmente antes do nascimento, até as doenças cardíacas coronarianas (DCC). As coronárias são pequenos vasos sangüíneos que fornecem o oxigênio e os nutrientes necessários para o funcionamento adequado e saudável do músculo cardíaco.
Algumas anomalias do coração são responsáveis pelo surgimento de arritmias cardíacas, que tanto podem estar associadas a problemas nas células responsáveis pelo ritmo cardíaco, mas também a problemas de condução. Essas arritmias são o foco de estudo deste trabalho, pois podem ser facilmente identificadas por meio do eletrocardiograma.
1.3 Eletrocardiograma
A eletrocardiografia é, sem dúvida, o exame de coração mais empregado em cardiologia, destacando-se por ser rápido, barato e não invasivo. A obtenção do eletrocardiograma, comumente conhecido como ECG, proporciona ao médico diagnosticar uma ampla variedade de doenças do coração [1] [2] [3].
O ECG é geralmente obtido pela medição de diferença de potencial entre eletrodos que são colocados na superfície do corpo do paciente. Assim, os campos elétricos resultantes dos batimentos cardíacos dos pacientes são detectados e sua variação é convertida em um sinal elétrico.
1.4 Motivação
O coração é um dos órgãos mais importantes do corpo humano, pois ele é o responsável pelo bombeamento de sangue para todo o organismo. Uma falha no seu funcionamento pode comprometer o envio de nutrientes para outros órgãos fazendo com que eles não realizem corretamente suas funções. Por esse motivo é de suma importância que o coração mantenha-se funcionando corretamente durante toda nossa vida.
Uma maneira de verificar se o coração está realizando o bombeamento de forma correta é pela análise dos sinais elétricos que nele são gerados. Para isso utilizamos o eletrocardiograma, que nada mais é que uma reprodução gráfica desses sinais.
Hoje em dia a grande maioria das análises dos ECG são feitas por profissionais especializados, mas essa análise consome muito tempo, pois no contexto ambulatorial esses registros são muito grandes, e está sujeita à falhas humanas. Além disso, em situações de urgência, o tempo de reação ao atendimento do paciente é fundamental para se minimizar as conseqüências da doença.
Desta forma seria muito útil um sistema automático de análise desses sinais para auxílio ao diagnóstico, que dispensasse o acompanhamento em tempo integral de um profissional.
1.5 Estado da Arte
A identificação de classes de batimentos de mesma morfologia em ECG ambulatoriais pode auxiliar consideravelmente o diagnóstico de doenças cardíacas pelos médicos. Visando a melhora na precisão das análises realizadas pelos médicos, diversas técnicas de processamento de sinais e reconhecimento de padrões têm sido utilizadas para realizar essa classificação. A seguir, estão relacionados alguns trabalhos realizados para classificar eletrocardiogramas.
Em [4], Clifford, Azauje e McSharry fazem uma compilação das técnicas mais recentes de análise de ECG. Eles fazem um estudo prático e teórico das ferramentas utilizadas no modelamento, classificação e interpretação derivadas de técnicas avançadas de processamento de sinais e inteligência artificial.
Dois trabalhos [5] [6],desenvolvidos por Andreão et al, merecem destaque na área de processamento de sinais. O primeiro utiliza cadeias ocultas de Markov (HMM) para a detecção, segmentação e classificação dos batimentos. Além disso, ele usa dois canais para efetuar essa classificação com mais precisão, obtendo ótimos resultados nos índices de sensibilidade e dos valores dos preditivos positivos. Já o segundo é focado na segmentação e detecção de batimentos ventriculares prematuros (PVC), e para isso foram utilizadas as transformadas Wavelet combinadas com o HMM.
Técnicas de detecção do complexo QRS vêm sendo melhoradas, e no trabalho de Hamilton [7] podemos verificar que para a melhora nos índices de sensibilidade e dos valores dos preditivos positivos foram introduzidas regras de detecção que levam em conta as características do complexo QRS. Vale ressaltar que nesse trabalho foi feita a normalização do ECG e utilização da distância R-R. O problema da precisão da detecção do complexo QRS poderia ser minimizado com à utilização do algoritmo do Dynamic Time Warping, pois ele elimina a nessecidade de localização precisa do complexo QRS.
Outros trabalhos [8] [9] [10] também utilizaram o algoritmo do DTW o para classificação dos quadros ECG. Esse algoritmo, muito usado em reconhecimento de padrões vocais, vem sendo muito estudado em sinais ECG devido a algumas características semelhantes dos sinais vocais. O DTW é utilizado pela necessidade de se fazer um alinhamento temporal dos sinais devido à inconstância de seus tamanhos. Apesar de fazer uso do DTW, nenhum desses grupos desenvolveu um sistema de classificação não supervisionado.
Também vale destacar os trabalhos de [11] e [12], que empregam o algoritimo do DTW para fazer o alinhamento de vetores e desta forma obter um sinal que melhor represente um grupo. O alinhamento deve manter as pricipais características dos
vetores contidos no grupo, mas, apesar dos algoritmos desenvonvidos nesses trabalhos executarem essa tarefa, eles têm um alto custo computacional.
O grupo de pesquisa de Osowski et al desenvolveu um estudo muito interessante em [13], onde é utilizado uma rede Neuro-Fuzzy híbrida para reconhecimento e classificação do ECG. Além disso, foram utilizados os algoritmos K-means e Gustafson-Kessel para clusterização não-supervisionada dos batimentos. No entanto, sua classificação é limitada, pois as redes neurais não se adaptam a cada individuo o que limitou os experimentos a uma quantidade pequena de registros da base de dados.
Philip Chazal et al utiliza em [14] os coeficientes de Wavelet e o método de discriminante linear para fazer a classificação dos batimentos de diferentes bancos de dados, já em [15] ele utiliza uma classificação supervisionada, fazendo a divisão manualmente dos batimentos, e um classificador estatístico baseado na morfologia, nos intervalos dos batimentos e nas distâncias R-R dos batimentos. Vale destacar a tentativa de divisão dos batimentos em 5 diferentes classes, e apesar do classificador ser supervisionado ele não obteve uma boa precisão dos resultados. Além disso, não é feita uma análise dos motivos pelo qual o classificador a não identificou corretamente os batimentos prematuros da base de dados.
Por fim, esta dissertação é a continuidade de um trabalho [16], que vem sendo desenvolvido desde 2006, no problema específico de classificação de batimentos cardíacos. Ao longo desse tempo já foram publicado três artigos em congressos a nível nacional e internacional [17] [18] [19]. O maior reconhecimento dos méritos desse estudo foi a escolha como segundo melhor artigo do Congresso Latino Americano de Engenharia Biomédica [18].
1.6 Objetivo
Este trabalho tem o objetivo de criar um sistema de identificação não supervisionada, adaptada a cada indivíduo e automática de arritmias cardíacas baseado
no algoritomo do DTW. O sistema incorpora essas características visando solucionar problemas encontrados por outros grupos de pesquisa que estudam esse tema. Para que o sistema seja denominado não supervisionado deve-se fazer a divisão dos batimentos em diferentes grupos sem incorporar informações explicitas sobre a morfologia dos mesmos [4]. Por outro lado, a classificação será automática caso ela seja realizada sem a necessidade de acompanhamento de um especialista.
Para implementação de um algoritmo de classificação não-supervisionado, primeiramente é feita a segmentação dos batimentos de um sinal ECG. Depois, são analisados os primeiros batimentos para que seja definida uma referência. Finalmente, são analisados todos os batimentos separadamente e de acordo com critérios específicos eles serão divididos em classes.
Para validar o algoritmo, é utilizado um banco de dados de ECG da MIT-BIH Arritmia Database [20] nos testes e sua classificação deverá ser igual ou mais próxima possível da classificação feita por um especialista que analisou os mesmos dados previamente.
Além do sistema de classificação propriamente citado, é proposto um sistema de alinhamento de sinais, também baseado no DTW, com a função de estimar um batimento cardíaco que melhor resuma um grupo ou classe de batimentos. Desta forma, é possível gerar um relatório com o resumo do funcionamento do coração do paciente em determinado período, indicando assim, além das informações como freqüência e variabilidade cardíaca, a forma do batimento predominante.
1.7 - Estrutura da Monografia
Esse trabalho está dividido nos seguintes Capítulos:
• Capítulo 2: É feita uma breve apresentação sobre a anatomia e fisiologia do coração, além de técnicas de medição de sinais cardioelétricos. Além disso, é apresentado o projeto Telecardio mostrando sua importância no monitoramento de pacientes;
• Capítulo 3: Apresenta detalhes do funcionamento do algoritmo DTW que foi utilizado no sistema de classificação apresentado nesse trabalho;
• Capítulo 4: Descreve todo o projeto do sistema responsável pela classificação dos batimentos cardíacos, dando destaque aos pontos mais importantes e às inovações propostas. Este capítulo contém, ainda, a análise dos resultados obtidos e as discussões sobre os problemas encontrados e possíveis soluções. • Capítulo 5: Apresenta o processo de decisões Fuzzy e sua importância na
detecção de batimentos prematuros;
• Capítulo 6: Mostra a importância da geração de relatórios com resumo do comportamento do coração do paciente em determinado período. Para isso foi desenvolvido um método de alinhamento de sinais que será detalhado nesse capitulo.
• Capítulo 7: Expõe as considerações finais, as avaliações sobre o trabalho realizado e as perspectivas de continuação do mesmo.
Esta dissertação possui, ainda, um conjunto de apêndices. No Apêndice A explica-se como é feito o cálculo do caminho ótimo do DTW. No Apêndice B é apresentada a dedução matemática desse mesmo cálculo. A base de registros de ECG do MIT-BIH Database está exposta no Apêndice C. Finalmente, no Apêndice D são apresentados alguns exemplos de diferentes classes de batimentos cardíacos encontrados na base de dados.
2 AS ARRITMIAS CARDIACAS E O PROJETO TELECARDIO
2.1 Introdução
Neste capítulo será discutida a importância do coração para o corpo humano, e serão analisados detalhes do seu funcionamento, tanto do ponto de vista fisiológico como elétrico. Serão citadas algumas doenças cardíacas com elevado índice de mortalidade e os principais tipos de arritmias que podem ser diagnosticadas pela análise do eletrocardiograma. Por fim, será discutido o projeto Telecardio, que é voltado para o monitoramento da atividade elétrica do coração de pacientes/indivíduos.
2.2 Músculo Cardíaco
O coração é um órgão oco, aproximadamente esférico, constituído de paredes musculares que delimitam quatro cavidades - os átrios direito e esquerdo, e os ventrículos direito e esquerdo (Figura 2-1) [21]. O átrio direito e o ventrículo direito constituem o coração direito, ou lado direito do órgão, e o átrio esquerdo e ventrículo esquerdo integram o coração esquerdo, ou lado esquerdo do órgão. O coração, que tem o tamanho da mão fechada e pesa cerca de 300 g, está localizado na região centro-lateral da caixa torácica, no centro do peito humano, entre a segunda e sexta costelas, atrás do esterno, entre os pulmões e ligeiramente desviado em torno de 80% para o lado esquerdo e 20% para o direito, tendo sua ponta inferiormente situada próxima ao mamilo esquerdo, e sua base superiormente situada no centro do tórax aproximadamente 5 cm abaixo da fúrcula esternal [3].
Figura 2-1 – Vista Posterior do Coração.
Fonte: Merck [21].
Os átrios estão separados entre si pelo septo interatrial, e os ventrículos pelo septo interventricular. Entre o átrio esquerdo e o ventrículo esquerdo, separando as duas cavidades, encontra-se a valvula mitral; entre o átrio direito e o ventrículo direito está a valvula tricúspide.
No átrio esquerdo desembocam diretamente quatro veias pulmonares, que conduzem sangue proveniente dos pulmões. Para o átrio direito drenam diretamente as veias cava superior e inferior, que são os condutores terminais do sangue proveniente de todas as partes do organismo.
Do ventrículo esquerdo sai a grande artéria aorta, que distribui sangue para todo o organismo, por meio das suas ramificações arteriais; na saída do ventrículo esquerdo situa-se a válvula aórtica, a qual separa esta cavidade ventricular da aorta. Do ventrículo direito emerge a artéria pulmonar, que é a condutora do sangue em direção aos pulmões; entre a saída da cavidade ventricular direita e o início da artéria pulmonar encontra-se a válvula pulmonar [3].
O coração é composto de uma estrutura muscular espessa, de cerca de 1 - 2 cm, denominada miocárdio, que integra as paredes das cavidades atriais e ventriculares. O miocárdio está envolto externamente por uma estrutura membranosa, que é o pericárdio, cuja função é proteger o miocárdio e permitir o suave deslizamento das paredes do órgão durante o seu funcionamento mecânico, pois contém líquido lubrificante em seu interior.
Internamente, o miocárdio é recoberto pelo endocárdio, que se constitui na membrana de proteção interna que fica em contato direto com o sangue, separando a musculatura do interior das cavidades do órgão. O coração possui também um conjunto de válvulas intracavitárias, as quais têm a função de direcionar o fluxo de sangue em um único sentido no interior do coração.
Além desses componentes anatômicos, o coração possui ainda uma estrutura denominada tecido excito-condutor que é responsável pela geração e condução do impulso elétrico que ativa todo o órgão para o seu funcionamento mecânico [3]. O tecido excito-condutor compreende um conjunto de quatro estruturas interligadas morfo-funcionalmente: o nodo sinusal, que é um aglomerado de células excitáveis especializadas, situado no extremo da região ântero-superior direita do coração, próximo à junção da veia cava superior com o átrio direito; o nodo atrioventricular, que também se constitui num aglomerado celular excitável especializado, situado na junção entre os átrios e os ventrículos, na porção basal do septo interventricular, na região mediana do coração; o feixe Átrio-Ventricular e seus ramos principais direito e esquerdo com suas subdivisões, que se localizam na intimidade da estrutura muscular miocárdica, partindo da base do septo interventricular e dirigindo-se aos ventrículos direito e esquerdo, respectivamente; o sistema de fibras de Purkinje, que representa uma rede terminal de condução do impulso elétrico a cada célula miocárdica contrátil (Figura 2-2) [22].
Figura 2-2 – O Tecido Excito - Condutor do Coração.
Fonte:The National Health Museum [22].
2.2.1 O Ciclo Cardíaco
Uma das duas câmaras do coração, a aurícula direita, contém um grupo de células chamadas de nodo sinusal que atua como um marca-passo, produzindo impulsos elétricos que fazem com que o músculo do coração se contraia e relaxe a cada ciclo cardíaco.
A freqüência do ritmo cardíaco que determina tais impulsos elétricos depende da atividade no momento, variando desde 60 a 80 batimentos por minuto (bpm) em uma situação de descanso, a até mais de 200 batimentos por minuto quando se faz exercícios, de modo a assegurar o direcionamento de nutrientes suficientes aos músculos e ao resto do organismo [1] [3].
No nodo sinusal (fibra excitatória) é originado um potencial de ação que inicia todo o ciclo cardíaco. Este potencial propaga-se através dos átrios até encontrar os feixes Átrio-Ventricular (A-V). Enquanto o potencial propaga-se pelos átrios, o átrio esquerdo recebe sangue oxigenado dos pulmões e passa o fluxo para o ventrículo esquerdo. Do mesmo modo o átrio direito recebe sangue venoso do sistema
circulatório e passa o fluxo para o ventrículo direito. Neste momento a válvula A-V esta aberta, a válvula aórtica e a válvula pulmonar estão fechadas. No feixe A-V ocorre um atraso na propagação do potencial para que os átrios possam contrair-se antes dos ventrículos e assim preenchê-los em sua forma máxima. Após a contração dos átrios as válvulas A-V fecham-se, o potencial segue propagando-se através dos ventrículos, fazendo com que a pressão dos ventrículos aumente e proporcionando a abertura das válvulas aórtica e pulmonar.
O ciclo cardíaco é composto por dois eventos distintos: a diástole e a sístole. A diástole é quando ocorre o relaxamento do músculo, fazendo com que as câmaras cardíacas se encham com o volume de sangue. A sístole é a expulsão do sangue das câmaras cardíacas, ocorrendo devido à contração ou atividade do coração. Existem dois tipos de sístole, a atrial e a ventricular. Cada uma é precedida por uma diástole. Abaixo um diagrama apresentando as fases do ciclo cardíaco (Figura 2-3) [23]:
Figura 2-3 – Ciclo Cardíaco.
Fonte:Instituto de Ciências Biológicas – UFMG[23].
1. Início da diástole, abertura das válvulas tricúspide e mitral e enchimento ventricular;
2. Fechamento das válvulas de entrada, final da diástole;
3. Contração ventricular, abertura das válvulas pulmonar e aórtica - sístole ventricular;
4. Final da sístole ventricular, fechamento das válvulas pulmonar e aórtica; 5. Reinício da diástole atrial e ventricular.
2.2.2 Doenças Cardíacas Coronarianas
A doença cardíaca coronariana se desenvolve ao longo de anos e pode levar à angina, a um ataque do coração e à morte súbita. Na década de 90 as doenças cardiovasculares foram responsáveis por aproximadamente um terço das internações hospitalares e por cerca de 90 mil óbitos. O "ataque cardíaco" (infarto agudo do miocárdio) acomete cerca de 100 mil pessoas por ano, com 35 mil óbitos, representando um terço de todas as mortes por doença cardiovascular [24].
A maioria das pessoas conhece alguém que teve um ataque do coração, geralmente inesperado, mas isto nem sempre foi assim. A DCC se tornou muito mais freqüente nos últimos 50 anos e este aumento foi causado por uma série de fatores importantes que já são bem conhecidos e estudados pela medicina atual.
Existem muitas expressões para descrever a doença coronariana e suas conseqüências sobre o coração. A expressão doença cardíaca coronariana (DCC) abrange todas estas:
• Doenças das artérias coronárias.
Doença das coronárias propriamente ditas. • Doenças isquêmicas do coração.
O estreitamento dos vasos sangüíneos resulta em isquemia, isto é, redução no suprimento de sangue para o músculo cardíaco.
• Infarto do miocárdio (IM), coronária, trombose, ataque do coração. Morte do tecido muscular cardíaco devido a um bloqueio do fluxo sangüíneo.
2.2.2.1 Problemas causados pelas DCC
As doenças coronarianas podem causar uma gama de problemas, todos resultantes de um suprimento insuficiente de oxigênio para o músculo cardíaco. Os problemas mais comuns são:
• Angina
não somente atividades como correr ou fazer ginástica aeróbica. A dor melhora quando você descansa.
• Ataque do coração
Dor intensa no peito resultante da morte de uma região do músculo cardíaco causado pela interrupção total do suprimento sangüíneo.
Cabe ressaltar que a angina é normalmente um sintoma associado à isquemia. No entanto, estudos vêm comprovando que fenômenos de isquemia também podem se assintomáticos. Por conseqüência, a identificação da doença fica comprometida e, quando for o caso, o paciente já estará manifestando o seu estágio mais avançado e letal.
Outras condições que, com freqüência, resultam da DCC: • Insuficiência Cardíaca
Falta de ar e inchaço dos tornozelos quando o coração não tem condições de mandar um suprimento de sangue suficiente para responder às demandas do corpo.
• Irregularidades do Ritmo Cardíaco (arritmias)
Batimentos cardíacos irregulares que podem causar palpitações e falta de ar. As DCC não são as únicas doenças que afetam o coração, mas são, de longe, as mais freqüentes nos países ocidentais.
2.3 Outros Problemas do Coração
Alguns problemas do coração que afetam a população e que devem ser citados são:
• Doenças Congênitas do Coração
Anormalidades do coração que estão presentes no nascimento. • Cardiomiopatias
• Doenças das Válvulas Cardíacas
Anormalidades ou lesões em uma das quatro válvulas que controlam o fluxo sangüíneo no coração.
2.4 Atividade Elétrica no Coração
Para que o coração possa exercer sua função mecânica de bombeamento do sangue por meio da contração e do relaxamento, é necessário que as células miocárdicas sejam inicialmente ativadas por um estímulo elétrico que atua sobre a membrana celular. Este estímulo elétrico é automaticamente e ritmicamente gerado no nodo sinusal, que é a estrutura cardíaca mais excitável e a que possui a maior capacidade de automatismo, por isso é chamada de marca-passo natural do coração.
Em situação de repouso ou de inatividade, a membrana celular de todas as células do coração encontra-se eletricamente polarizada, isto é, possui um potencial elétrico negativo de -60 mV a -80 mV no caso do tecido excito-condutor, e de -90 mV no caso do miocárdio comum, o que significa dizer que o interior da célula é negativo em relação ao seu exterior. Este potencial elétrico de repouso é chamado potencial de membrana, ou potencial de repouso, e está assossiado à maior concentração de íons potássio e cloro dentro da célula, e maior acúmulo de íons sódio e cálcio fora da célula [3].
Nas células do nodo sinusal e nas demais estruturas do tecido condutor, devido a propriedades eletrofisiológicas da membrana celular, o potencial de repouso automaticamente se inverte, recuperando-se alguns milisegundos depois, de maneira cíclica e ritmada.
Este processo de despolarização da membrana celular é representado por um novo potencial elétrico através das células, chamado potencial de ação (Figura 2-4) [25], que agora é positivo em relação ao exterior da célula. Nestas células, a inversão do potencial elétrico, que gera o potencial de ação, resulta da entrada intracelular de íons sódio e principalmente de cálcio. Esta despolarização inicial é subsequentemente
mantida por algum tempo, na dependência da continuidade da entrada do íon cálcio, o que configura uma fase intermediária do potencial de ação que é a fase de despolarização mantida, ou de plateau, pois o potencial permanece num determinado valor.
Figura 2-4 – Potencial de Ação do coração.
Fonte:Webster [25].
A recuperação do potencial de repouso, ou repolarização, se faz pela progressiva atenuação do potencial de ação, resultado da saída de íons de potássio e cloro para o exterior das células. Estes movimentos iônicos através da membrana celular decorrem do gradiente elétrico existente e da diferença de concentração dos íons em cada lado da membrana.
A propagação seqüencial do potencial de ação célula-a-célula, ao longo das suas membranas, a partir do nodo sinusal, constitui-se no impulso ou estímulo elétrico do coração, que se espalha rapidamente por todo o órgão por meio dos ramos e sub-ramos do tecido de condução.
No caso das células miocárdicas comuns atriais e ventriculares, quando estas são atingidas pelo estímulo elétrico proveniente do nodo sinusal, abrem-se canais específicos para os íons sódio na membrana celular, que entram em grande quantidade e rapidamente nas células, obedecendo ao gradiente elétrico e químico presente, o que
provoca a inversão da polaridade da membrana celular, ficando o interior da célula carregado positivamente em relação ao seu exterior. Esta despolarização inicia o potencial de ação que é conduzido por todo o miocárdio contrátil atrial e ventricular.
Nestas células, a manutenção da despolarização, que também é dependente da entrada de íons cálcio para o interior celular, se faz por tempo mais prolongado que nas células do tecido excito - condutor, o que resulta em um potencial de ação com plateau mais longo. O processo de repolarização da membrana das células miocárdicas também decorre da saída de íons potássio do interior para o exterior celular.
Para que a célula esteja novamente apta a se ativar, logo após a repolarização, os íons sódio que se dirigiram para o interior da célula, e aí ficaram aprisionados, devem ser repostos para o exterior, e os íons potássio que saíram da célula devem retornar para o seu interior. Este processo de recuperação do estado iônico de repouso é feito por meio da chamada "bomba de sódio e potássio", que nada mais é que um sistema bioquímico enzimático existente na membrana celular, que funciona consumindo energia para tornar esta membrana permeável a esses íons, nessa fase do fenômeno elétrico celular [3].
Portanto, o potencial de ação do coração constitui-se, de maneira geral, de três componentes:
1. Um componente inicial, de curtíssima duração, dependente principalmente da entrada intracelular de íons sódio, no caso do miocárdio comum (componente inicial rápido), ou de íons cálcio, no caso do tecido excito - condutor (componente inicial lento), que inverte o potencial de membrana, e é traduzido pela despolarização da membrana celular, do que resulta o início do fenômeno da contração sistólica do coração.
2. Um componente intermediário, de maior duração, que segue o anterior, e é dependente da manutenção da entrada intracelular de íons cálcio previamente iniciada, o qual é traduzido pela persistência da despolarização, dando ao potencial de ação a configuração de um plateau. A etapa de plateau é mais visível no processo de despolarização ventricular (ver Figura 2-4).
3. Um componente final, dependente da saída extracelular de íons potássio, traduzido pela repolarização ou recuperação elétrica da membrana celular, que resulta no restabelecimento do potencial de membrana, do qual decorre o fenômeno mecânico do relaxamento diastólico do coração.
Quanto às diferenças entre o potencial de ação dos nodos sinusal e atrioventricular, e o potencial de ação do tecido condutor intraventricular e do miocárdio comum, as mesmas podem ser resumidas como segue.
No tecido nodal, o limiar de disparo da despolarização é mais baixo (o potencial de membrana é menos negativo), a despolarização inicial é mais lenta e dependente do íon cálcio, o plateau é acentuadamente mais curto, e existe peculiarmente o pré-potencial. Estas são as características eletrofisiológicas do tecido nodal que lhe conferem a propriedade do automatismo e, em decorrência, a capacidade de comandar a atividade elétrica do coração.
Assim, o potencial de ação do coração, ou o seu estímulo elétrico, origina-se automaticamente no nodo sinusal e, a partir desta estrutura, propaga-se pelo miocárdio atrial atingindo o nodo atrioventricular, de onde ganha o tecido especializado condutor dos ventrículos, representado pelo feixe de His e seus ramos e sub-ramos direito e esquerdo, terminando no sistema de Purkinje e ativando sequencialmente toda a musculatura ventricular numa direção e sentido bem definidos [3].
2.4.1 Eletrocardiografia
A eletrocardiografia é um procedimento rápido, simples e indolor, em que impulsos elétricos no coração são amplificados e registrados em uma fita de papel ou em meio digital, chamado de eletrocardiograma (ECG). Esses impulsos são medidos pelo eletrocardiógrafo, que é composto por um galvanômetro (aparelho que mede a diferença de potencial entre dois pontos a partir de dois eletrodos), amplificadores, filtros, dentre outros.
O ECG permite que o médico analise a atividade elétrica do coração e irregularidades do ECG refletem afecções no músculo, no fornecimento de sangue ou no controle neural do coração, proporcionando ao médico diagnosticar uma ampla variedade de doenças do coração.
Uma grande quantidade de sinais de ECG são medidos todos os anos, e gravados em bancos de dados internacionais. Uma maneira de separar as informações do ECG eficientemente é classificando os batimentos cardíacos. Assim é possível a caracterização de cardiopatia, que se manifesta em modificações específicas da forma de onda do sinal. Algumas dessas modificações são facilmente identificáveis e associadas a doenças.
2.4.2 Holter
Na medicina, o monitor Holter (também chamado de eletrocardiógrafo ambulatorial), nomeado devido a seu inventor, Dr. Norman J. Holter, é um dispositivo que monitora continuamente a atividade elétrica do coração. A aplicação ambulatorial do ECG através do dispositivo Holter (Figura 2-5) [26] teve um grande crescimento na última década. Ela fornece informações confiáveis e clinicamente significativas da atividade cardíaca do indivíduo durante sua rotina diária.
Figura 2-5 – Monitor Holter.
O Monitor Holter grava os sinais elétricos do coração por meio de uma série de eletrodos colocados no tórax do paciente. O número e posições dos eletrodos podem variar de modelo para modelo. Os dados são gravados em uma fita cassete ou em memória flash, nos aparelhos mais novos. Após a utilização do aparelho, o mesmo é devolvido ao especialista médico que realiza o laudo do exame, identificando os eventos normais e anormais que foram produzidos ao longo do período de observação.
2.4.3 Componentes de um Sinal de ECG Normal
O sinal ECG de um coração normal é composto de alguns traços característicos, tais como o complexo QRS, a onda T e a onda P, que ocorrem de maneira cíclica onde cada ciclo ou período completo corresponde a um batimento cardíaco (Figura 2-6).
Figura 2-6 – Sinal ECG com traços característicos.
Fonte: Advanced Methods and Tools for ECG Data Analysis [4]
A onda P é gerada por correntes oriundas da despolarização dos átrios, a qual precede sua contração. A primeira parte dessa onda corresponde à despolarização do
átrio direito e a parte final a despolarização da átrio esquerdo. Ela é arredondada, monofásica e tem amplitude entre 0,25 e 0,3 mV [27].
O complexo QRS é gerado pela despolarização total dos ventrículos antes da contração. O tempo de ativação ventricular, que representa o momento da despolarização, é medido do início do complexo QRS ao final da deflexão negativa após a onda R.
A onda T é a onda de repolarização ventricular que é causada por correntes geradas enquanto os ventrículos se recuperam da fase de despolarização. Ela é a primeira onda positiva ou negativa que surge após o complexo QRS. Representa a repolarização ventricular com voltagem menor que a do QRS.
O segmento ST é o intervalo entre o final do QRS e o início da onda T. Ele é normalmente isoelétrico e sua duração geralmente não é determinada, pois é avaliado englobado ao intervalo QT.
Existe também a onda de repolarização atrial, que aparece raras vezes no ECG, pois esta ocorre no momento em que o complexo QRS está sendo registrado, e a onda U que segue a onda T. A onda U não é constante e quando normal é sempre positiva. Sua gênese ainda é discutida, mas poderia representar um pós-potencial, ou seja, a repolarização dos músculos papilares [27].
2.4.4 Derivações de um ECG
Em toda superfície do corpo existem diferenças de potencial, conseqüentes aos fenômenos elétricos gerados durante a excitação cardíaca. Estas diferenças podem ser medidas e registradas tendo-se uma noção satisfatória do tipo e da intensidade das forças elétricas do coração. Assim, os pontos do corpo a serem explorados são ligados ao aparelho de registro por meio de fios condutores (eletrodos), obtendo-se as chamadas derivações, que podem ser definidas de acordo com a posição dos eletrodos.
O ECG padrão é composto de 12 derivações principais: seis derivações periféricas e seis derivações precordiais. As derivações periféricas (dos membros) são
I, II, III, aVR, aVL e aVF. As derivações precordiais são V1, V2, V3, V4, V5 e V6 (Figura 2-7) [28]. Eventualmente, são utilizadas derivações precordiais adicionais para uma melhor visualização da parede posterior do coração (V7 e V8) e do ventrículo direito (V3R e V4R). [29].
Figura 2-7 – As 12 derivações de um ECG padrão.
Fonte: The Nobel Foundation [28].
As derivações podem ser divididas em três subgrupos diferentes: bipolar ou de Einthoven, unipolares ou de Goldberger e precordiais de Wilson.
2.4.4.1 Derivação Bipolar
As derivações bipolares dos membros (I, II e III) são as derivações originais escolhidas por Einthoven para registrar os potenciais elétricos no plano frontal. Em 1913, Einthoven desenvolveu um método de estudo da atividade elétrica do coração representando-a graficamente numa figura geométrica bi-dimensional: um triângulo eqüilátero (Figura 2-8). Embora não seja matematicamente verdade, este método fornece ao clínico um conceito prático com o qual pode trabalhar [29].
Figura 2-8 – Plano frontal das derivações periféricas.
Fonte: Lippincott Willians & Wilkins[30].
No triângulo de Einthoven, o coração está localizado no centro do triângulo eqüilátero e os vértices do triângulo estão posicionados nos ombros esquerdo e direito e na região púbica.
As derivações bipolares representam uma diferença de potencial entre dois locais selecionados:
• I = DDP entre o braço esquerdo e o braço direito (aVL - aVR) • II = DDP entre a perna esquerda e o braço direito (aVF - aVR) • III = DDP entre a perna esquerda e o braço esquerdo (aVF - aVL)
Segundo a lei de Einthoven, se o potencial elétrico de duas quaisquer derivações bipolares for conhecido num dado instante, a terceira pode ser calculada pela fórmula: II = I + III. Esta relação baseia-se nas Leis de Kirchoff.
O potencial elétrico registrado numa extremidade vai ser o mesmo seja qual for o local da extremidade em que o elétrodo é colocado. De fato, considera-se que os braços são apenas extensões dos ombros e a perna esquerda (por convenção) a extensão do púbis. Desta forma, os elétrodos são aplicados logo acima dos pulsos e do tornozelo [29].
2.4.4.2 Derivação Unipolar
As derivações unipolares foram introduzidas por Wilson em 1932. Elas medem a diferença de potencial entre um elétrodo indiferente e um elétrodo explorador. O eletrodo indiferente é formado por três fios elétricos que estão ligados entre si a um terminal central. As extremidades livres destes fios são ligadas aos elétrodos do braço esquerdo (LA), braço direito (RA) e perna esquerda (LL). O terminal central liga-se, ao pólo negativo do eletrocardiógrafo e o elétrodo explorador é ligado ao pólo positivo [29].
Considera-se que a soma dos três potenciais LA+RA+LL é igual à zero, ou seja, o potencial do elétrodo indiferente é zero. A princípio, as derivações unipolares tentam medir potenciais locais e não diferenças de potencial. Goldberg modificou o sistema de derivações unipolares de Wilson para obter três derivações uniporales aumentadas, chamadas aVL aVR e aVF, amplificando a variação de potencial por um fator de 1,5. Por exemplo: usando o elétrodo indiferente ligado a perna direita e o braço esquerdo e um elétrodo explorador ligado ao braço direito é obtida o potencial do braço direito amplificado (aVR) (Figura 2-7).
2.4.4.3 Derivações Precordiais
As derivações precordiais permitem o mapeamento elétrico do coração no plano horizontal. O elétrodo indiferente permanece ligado às três extremidades, enquanto o elétrodo explorador varia de posição ao longo da parede torácica. Uma derivação unipolar feita por este método é denominada pelo prefixo V seguido de um número, que indica a sua posição correspondente.
As derivações precordiais não registram apenas os potenciais elétricos da pequena área de miocárdio que está subjacente, mas os eventos elétricos de todo o ciclo cardíaco tal como são vistos no eixo elétrico da sua posição específica [29].
A seguir estão descritas as posições dos eletrodos precordiais (Figura 2-7): V1: quarto espaço intercostal direito junto ao esterno;
V2: quarto espaço intercostal esquerdo junto ao esterno; V3: eqüidistante de V2 e V4;
V4: quinto espaço intercostal esquerdo na linha médio-clavicular; V5: linha axilar anterior (mesmo plano horizontal de V4);
V6: linha axilar média (mesmo plano horizontal de V4);
2.4.4.4 Formato do ECG nas diferentes derivações
Cada uma das 12 derivações principais mede os potenciais elétricos do coração em diferentes pontos de observação, logo cada uma delas irá produzir uma forma de onda diferente. Isso pode ser muito útil para o diagnóstico de determinadas arritmias do coração, que podem ser facilmente percebidas numa certa derivação ao passo que em outras pode parecer que o ECG não tem nenhum problema. Abaixo segue uma visão do sinal ECG em diferentes derivações (Figura 2-9):
Figura 2-9 – Sinal ECG nas 12 derivações principais.
2.5 Arritmias Cardíacas
Existem diversos tipos de arritmias, que são geradas por doenças no coração, que podem ser detectadas pela análise do eletrocardiograma. As arritmias cardíacas podem ocorrer por alteração na formação do estímulo elétrico (ex: bradicardia e taquicardia sinusal), por alteração na condução do estímulo (ex: bloqueios atrioventriculares) ou por alterações mistas de geração e condução (ex: fibrilação atrial) [32]. O Massachusetts Institute of Technology [33] disponibiliza um banco de dados com diversos tipos de arritmias. A seguir serão descritas as mais importantes.
2.5.1 Taquicardia Ventricular
Normalmente esta arritmia ocorre em pessoas com doença do músculo do coração (Infartados, com Doença de Chagas, coração dilatado ou hipertrofiado), mas podem ser observadas em corações normais sendo chamadas de idiopáticas. A Taquicardia Ventricular (TV) é definida quando ocorrem três ou mais batimentos ESV (Extra-sístole Ventricular) consecutivos com uma freqüência maior que 120 batimentos por minuto (Figura 2-10).
Figura 2-10 – Mudança de eixo da TV com a salva de seis ESV.
Fonte: British Medical Journal [34].
As ESV são batimentos cuja seqüência de ativação cardíaca é alterada e os impulsos não seguem mais o caminho condutor intraventricular tendo como conseqüência a morfologia do complexo QRS numa forma bizarra e de duração prolongada, além de não serem precedidos pela onda P [34].
A TV acontece quando o nodo SA perde o controle de sua função de sinalização e uma nova área, em uma das duas câmaras inferiores (ventrículos) do
coração, assume a função de sinalização (Figura 2-11). Como a nova sinalização não percorre o músculo cardíaco da forma normal, o coração não se contrai normalmente. Seus batimentos se tornam mais rápidos e o coração parece tremer. À medida que o coração bate mais rápido, bombeia menos sangue a cada contração, pois não há tempo suficiente para o enchimento do coração entre cada batimento. Se esse ritmo rápido continuar, o corpo não receberá sangue e oxigenação suficientes.
Figura 2-11 – Direção anormal da onda de despolarização na TV.
Fonte: British Medical Journal [34].
2.5.2 Flutter e Fibrilação Atrial
A fibrilação e o flutter atrial são arritmias que têm como características padrões de descargas elétricas muito rápidas que fazem com que os átrios contraiam de modo extremamente rápido e, por conseqüência, os ventrículos se contraem mais rapidamente e de forma menos eficaz do que o normal. Esses ritmos anormais podem ser esporádicos ou persistentes.
Durante a fibrilação ou durante o flutter as contrações atriais são tão rápidas que as paredes atriais simplesmente tremulam, impedindo que o sangue seja bombeado de modo eficaz para o interior dos ventrículos. Na fibrilação o ritmo atrial é irregular e, conseqüentemente, o ritmo ventricular também é irregular (Figura 2-12). No flutter tanto o ritmo atrial como o ventricular são regulares (Figura 2-13) [34].
Figura 2-12 – Fibrilação Atrial.
Fonte: British Medical Journal [34].
Figura 2-13 – Flutter Atrial.
Fonte: British Medical Journal [34].
A fibrilação atrial é causada pela descarga de impulsos auriculares múltiplos (Figura 2-14). Já o flutter atrial é causado por um único foco de impulso auricular (Figura 2-15).
Figura 2-14 – Focos múltiplos da Fibrilação Atrial.
Fonte: British Medical Journal [34].
Figura 2-15 – Foco único do Flutter Atrial. Fonte: British Medical Journal [34].
Em ambos os casos, os ventrículos contraem mais lentamente que os átrios, pois o nodo atrioventricular e o feixe de His não conseguem conduzir impulsos elétricos em velocidade tão alta e apenas um em cada dois a quatro impulsos pode ser transmitido. No entanto, ainda assim os ventrículos contraem em freqüência mais alta que o normal, o que impede o seu enchimento completo. Por essa razão, o coração bombeia quantidades insuficientes de sangue, a pressão arterial cai e o indivíduo pode apresentar um quadro de insuficiência cardíaca [34].
2.5.3 Arritmias Sinusais
Quando a freqüência cardíaca é controlada pelo nodo sinusal a seqüência de batimentos é conhecida como ritmo sinusal. Deste modo, quando o nodo sinusal dispara mais rápido que o normal (por exemplo, como uma reação normal ao medo) este ritmo é chamado de taquicardia sinusal (Figura 2-16-a). Já quando os disparos são feitos de forma mais lenta o ritmo é chamada de braquicardia sinusal (Figura 2-16-b).
Figura 2-16 – a) Taquicardia Sinusal; b) Braquicardia Sinusal.
Fonte: Centro de Ciências e Saúde [35].
2.5.4 Taquicardia Atrial
A taquicardia atrial ocorre quando um foco isolado dentro do átrio (Figura 2-17) está disparando ou reentrando em um circuito local provocando a taquicardia pela
rapidez do disparo. O ECG pode fornecer o diagnóstico através da analise da onda P, que fica deformada (Figura 2-18).
Figura 2-17 – Foco isolado no átrio.
Fonte: British Medical Journal [34].
Figura 2-18 – Taquicardia Atrial.
Fonte: British Medical Journal [34].
Em geral, o aumento da freqüência cardíaca inicia e cessa subitamente e pode durar desde alguns minutos até muitas horas. Quase sempre, o paciente descreve esse distúrbio como uma palpitação desconfortável e, freqüentemente, ele está associado a outros sintomas como, por exemplo, a fraqueza. Habitualmente esta arritmia é observada em pacientes com algum tipo de doença do coração [34].
2.5.5 Fibrilação Ventricular
A Fibrilação Ventricular (FV) ocorre quando múltiplos pontos nos ventrículos disparam impulsos muito rapidamente e de modo desordenado (Figura 2-19). Os batimentos do coração são muito mais rápidos. Algumas vezes por volta de 300
batimentos por minuto e muito pouco sangue é bombeado para o corpo e para a cabeça. O resultado é que o ventrículo "treme" e não consegue ter uma contração efetiva, cessando o bombeamento de sangue.
Figura 2-19 – Três exemplos de Fibrilação Ventricular.
Fonte: Advanced Methods and Tools for ECG Data Analysis [4]
A FV é igual a parada cardíaca e a menos que um ritmo efetivo seja restaurado dentro de poucos minutos, o paciente inevitavelmente evoluirá ao óbito. No ECG há um traçado desordenado, sem a inscrição de complexos QRS.
2.6 Telemedicina
A Telemedicina pode ser entendida como a distribuição de serviços de saúde e o compartilhamento de informações médicas utilizando as redes de telecomunicações, notadamente as modernas redes de alta velocidade. Ao permitir compartilhar conhecimentos dos grandes centros regionais, nacionais ou mesmo internacionais, essa nova tecnologia possibilita o diagnóstico em tempo real de pacientes localizados em regiões remotas, reduzindo gastos com hospitalização, diminuindo a taxa de ocupação dos leitos hospitalares bem como permitindo o debate médico e decisões sobre diagnósticos médicos com margem de erro reduzida.
A Telemedicina tem se beneficiado do crescimento dos serviços e aplicações móveis sensíveis ao contexto. Os últimos avanços das tecnologias móveis e sem fio (Bluetooth, WiFi, GPRS, e outros) e a popularização dos dispositivos móveis (PDAs, celulares, pagers e pequenos dispositivos médicos - como o holter), facilitaram a tarefa de monitoramento remoto de pacientes.
Dentro da Telemedicina, uma das áreas de destaque é a Telecardiologia, em particular o telemonitoramento da atividade cardíaca através do eletrocardiograma (ECG). O Telemonitoramento através do ECG tem despertado um grande interesse da comunidade científica devido ao alto índice de mortes associadas às doenças do coração, entre as quais podemos destacar a Isquemia do Miocárdio (IM) [36] [37].
2.6.1 Projeto Telecardio
Mais recentemente, em alguns países, há o surgimento de uma nova modalidade de telemonitoramento, que apresenta grandes perspectivas no acompanhamento e tratamento de pacientes crônicos: a Telecardiologia em Domicílio [38]. Esta nova modalidade tende a somar aos esforços de serviços de assistência médica em domicílio já existentes, possibilitando o monitoramento mais eficiente do estado clínico do paciente a partir da aquisição remota do eletrocardiograma, da pressão sanguínea, de dados relativos à sua atividade física, entre outros dados vitais, obtidos diretamente a partir de sensores ou derivados através de um processo adequado de inferência.
Observa-se que as tecnologias envolvidas no desenvolvimento de sistemas de telemedicina em domicílio também permitem o seu uso praticamente imediato em locais de maior demanda social, como é o caso dos Postos de Saúde. Isso agrega um grande valor aos sistemas computacionais desenvolvidos com esta finalidade e motiva o desenvolvimento de iniciativas e projetos na área.
O projeto Telecardio – Telecardiologia a Serviço do Paciente em Ambientes Hospitalares e Residenciais [38] pretende explorar competências na área médica e tecnológica visando à melhoria da qualidade dos serviços voltados a pacientes cardíacos crônicos em regime domiciliar ou hospitalizados em Unidades de Saúde
públicas ou privada. Adicionalmente, uma série de projetos e centros de pesquisa encontram-se hoje investigando o uso de serviços móveis inteligentes no monitoramento de pacientes onde quer que ele esteja (Pervasive Healthcare) [39] [40] [41].
2.6.2 Estrutura do Projeto Telecardio
O objetivo do Projeto Telecardio é desenvolver um sistema de baixo custo e flexível para o telemonitoramento da atividade cardíaca de pacientes através do eletrocardiograma. O sistema é composto basicamente por uma Unidade Remota, que é o próprio domicílio do paciente e a Central de Monitoramento, a qual pode estar localizada no próprio hospital, num posto público de saúde ou em um centro de emergência independente. A Unidade Remota e a Central de Monitoramento utilizam a Internet como meio para a troca de dados.
Na Unidade Remota, são identificados os seguintes elementos:
i) Dispositivo portátil: Dispositivo eletrônico de bolso que acompanha o paciente, dando-lhe mobilidade na realização das tarefas cotidianas. Ele integra um aparelho de medida de eletrocardiograma ambulatorial (holter), um botão de alarme e um dispositivo para transmissão de dados em rádio freqüência para o computador remoto;
ii) Computador Remoto: Responsável pela recepção, armazenamento e tratamento das informações transmitidas pelo dispositivo portátil. Através de um programa de comunicação, os dados são em seguida enviados a um centro de monitoramento. O módulo de Acesso e Integração de Dados deste centro de monitoramento realiza, então, a aquisição e o armazenamento dos dados vitais do paciente assistido pelo serviço.
O Centro de Monitoramento, por sua vez, é composto pelos seguintes elementos:
i) Servidor de Monitoramento: Unidade funcional responsável pelo gerenciamento do sistema de comunicação com os computadores remotos, acesso ao
banco de dados dos pacientes e acompanhamento on-line do estado clínico de cada paciente monitorado. O Servidor de Monitoramento também pode ser acessado remotamente pelo médico autorizado;
ii) Banco de dados: Os dados de cada paciente (dados pessoais, histórico clínico, outros exames), e mais os sinais vitais enviados pelo computador remoto, compõem o Prontuário Eletrônico do Paciente (PEP). Este prontuário fica à disposição do médico responsável para consulta e modificação;
iii) Serviço de triagem: O serviço de triagem implementa um protocolo de ação do lado do centro de monitoramento no atendimento das chamadas feitas pelo médico, pelo paciente e pelo sistema de monitoramento. Para cada chamada recebida e tratada, o serviço de triagem aciona o serviço mais adequado de auxílio e atendimento de pacientes: equipe médica de plantão, ambulância, corpo de bombeiros e familiares.
A partir do ambiente descrito, os seguintes cenários são identificados:
Cenário 1) Monitoramento domiciliar: o paciente é mantido em seu domicílio, onde seu sinal ECG é adquirido através de um aparelho holter e transmitido continuamente a um computador remoto que, por sua vez, envia os dados para a Central de Monitoramento;
Cenário 2) Acompanhamento médico remoto: o especialista médico de plantão interage com o sistema e faz o acompanhamento do paciente a partir de um dispositivo portátil notebook ou hand heald (Figura 2-20).
Cenário 3) Comunicação entre unidade móvel de emergência (ambulância) e centro de monitoramento: na ocorrência de uma emergência, mensagens de alerta são enviadas a unidade móvel solicitando assistência ao paciente.
Figura 2-20 – a) Exemplo de monitoramento remoto; b) Exemplo de geração de alarmes.
2.7 Conclusões
O coração é um dos órgãos mais importantes do corpo humano, pois ele é o responsável pelo bombeamento de sangue para todo o organismo. Uma falha no seu funcionamento pode comprometer o envio de nutrientes para outros órgãos comprometendo suas funções. Uma maneira de verificar se o coração de um individuo está funcionando corretamente é pela analisando de seu ECG. Atualmente, grande parte das análises dos ECG, em particular do Holter ou ECG ambulatorial, são feitas por profissionais especializados, mas essa análise consome muito tempo, pois esses registros são muito grandes e, além disso, este processo está sujeito à falhas humanas.
Desta forma seria muito útil um sistema automático de análise desses sinais para auxílio ao diagnóstico e que, além disso, em situações de urgência gerassem alarmes reduzindo o tempo de reação ao atendimento do paciente.
É nesse contexto que o Projeto Telecardio pretende explorar competências na área médica e tecnológica visando à melhoria da qualidade dos serviços voltados a pacientes cardíacos crônicos em regime domiciliar ou hospitalizados utilizando serviços móveis inteligentes no monitoramento de pacientes onde quer que ele esteja.
